蘇國青

（山西潞安礦業(yè)集團慈林山煤業(yè)有限公司李村煤礦，山西 長治 046100）

瓦斯抽采是預(yù)防采掘工作面瓦斯超限，保證煤礦安全生產(chǎn)的重要技術(shù)手段。綜采工作面對煤層施工鉆孔進行瓦斯預(yù)抽，包括本煤層瓦斯預(yù)抽、裂隙帶瓦斯預(yù)抽、穿層瓦斯預(yù)抽等。受施工工藝、地質(zhì)條件等影響，瓦斯抽采過程中存在很多問題，如：鉆孔長度不足、鉆孔施工質(zhì)量差、瓦斯抽采率低、封孔技術(shù)落后等[1]，制約了瓦斯抽采效率，威脅著煤礦安全生產(chǎn)。本文以李村煤礦1304工作面為研究對象，對工作面前期瓦斯抽采主要存在問題進行分析，并進行實際應(yīng)用優(yōu)化。

1 概述

潞安集團慈林山煤業(yè)有限公司李村煤礦屬于高瓦斯礦井，1304工作面位于井田一采區(qū)，南部為實煤區(qū)，西部的1302工作面已回采結(jié)束，北側(cè)和東側(cè)為南部大巷。

1304工作面設(shè)計走向長度為920 m，傾向長度為240 m，工作面回采煤層為石炭系3#煤層，平均厚度為4.2 m，該煤層賦存穩(wěn)定，煤厚變異較小，煤層結(jié)構(gòu)較簡單。煤體以黑色、塊狀為主，粒狀次之，亮煤為主，夾鏡煤條帶，煤質(zhì)為貧煤。1304工作面采用綜合機械化回采工藝，截止2019年4月已回采320 m。

經(jīng)鑒定1304工作面回采的屬于Ⅲ類破壞煤，煤層瓦斯抽采難度大，3#煤層瓦斯含量測定值為5.96～15.76 m3/t，殘存瓦斯含量為2.7 m3/t，實測的最大瓦斯壓力為0.45 MPa，小于0.74 MPa。煤層瓦斯透氣性系數(shù)為0.0997 m2/MPa2·d，瓦斯放散初速度△p為13～19，煤的堅固性系數(shù)為0.41～0.45，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.5639 d-1，百米鉆孔初始瓦斯涌出量為0.128 m3/min·hm，煤層孔隙率為2.1%～3.5%。

2 工作面瓦斯抽采現(xiàn)狀及問題分析

2.1 前期工作面瓦斯抽采工藝

1304工作面回采前期為了保證安全高效回采，降低煤層瓦斯含量，對工作面布置順層鉆孔進行瓦斯抽采，具體鉆孔參數(shù)及施工工藝如下：

（1） 在工作面回風(fēng)順槽垂直煤壁布置順層鉆孔，鉆孔距頂板間距為1.0 m，鉆孔直徑為75 mm，深度為90 m，鉆孔間距為20 m。

（2）鉆孔施工完后對鉆孔進行擴孔處理，擴孔深度為8.0 m，擴孔后在擴孔段內(nèi)埋入孔口管并采用水泥砂漿進行封堵，封堵長度為8.0 m；將每個鉆孔內(nèi)安裝一根直徑為43 mm瓦斯抽采支管并與回風(fēng)順槽瓦斯抽采總管路連接。

（3）將1304回風(fēng)順槽瓦斯抽采總管路與一采區(qū)臨時瓦斯抽放泵站內(nèi)高壓抽放泵連接進行瓦斯預(yù)抽，當(dāng)工作面回采至距鉆孔間距為5.0 m時，鉆孔停止瓦斯抽采，并及時拆除管路。

2.2 問題分析

（1） 鉆孔布置不合理。1304工作面長度為240 m，工作面回采前期瓦斯抽放鉆孔長度為90 m，鉆孔長度不足未能實現(xiàn)全長工作面煤層瓦斯抽采；同時3#煤層透氣性低，傳統(tǒng)順層鉆孔對煤層垂直范圍內(nèi)瓦斯抽采效率低。

（2）工作面瓦斯抽采方法不合理。由于1304工作面直接頂主要以碳質(zhì)泥巖為主，平均厚度為3.2 m，基本頂主要以砂紙泥巖與煤混合巖層為主，平均厚度為9.2 m，煤層頂板巖體裂隙發(fā)育，導(dǎo)致工作面上覆巖層形成裂隙瓦斯帶，占整個工作面瓦斯涌出量的37%，而傳統(tǒng)順層鉆孔僅可對本煤層瓦斯預(yù)抽，無法實現(xiàn)裂隙帶瓦斯預(yù)抽。通過觀察發(fā)現(xiàn)，前期瓦斯抽采后，工作面回采期間平均瓦斯?jié)舛冗_1.8%，回風(fēng)隅角平均瓦斯?jié)舛葹?.4%。

（3）鉆孔施工效率及成型率差。1304工作面瓦斯抽放鉆孔主要采用風(fēng)力干式法和水力濕式法兩個施工工藝，風(fēng)力干式法以靜壓風(fēng)為動力帶動釬桿轉(zhuǎn)動進行鉆孔施工，該方法施工鉆孔時鉆孔施工速度慢，平均15 m/h，而且會造成鉆場產(chǎn)生高濃度粉塵，平均粉塵濃度達104 mg/m3；而水力濕式法鉆孔時水壓在2.0～2.5 MPa之間，3#煤層直接頂易破碎，在高壓水力作用下鉆孔很容易垮落，成孔率相對較低[2]，通過前期鉆孔施工觀察發(fā)現(xiàn)，水力鉆孔時成孔率不足52%。

（4）封孔質(zhì)量差。前期鉆孔封孔長度為8.0 m，鉆孔封孔段未處于穩(wěn)定煤體內(nèi)，封孔長度不合理；而且前期采用的水泥砂漿封孔時對鉆孔附近煤體裂隙粘接效果差，通過窺視孔觀察發(fā)現(xiàn)，采用水泥砂漿封孔時對孔壁徑向裂隙封堵對鉆孔封孔效果相對較差。

3 1304工作面瓦斯抽采工藝優(yōu)化

3.1 鉆孔施工工藝優(yōu)化

為了提高鉆孔成孔率，提高鉆孔成孔效率，降低鉆場粉塵濃度決定采用 “風(fēng)塵分離鉆孔施工+泡沫抑塵”聯(lián)合措施進行鉆孔施工。

（1）風(fēng)塵分離鉆孔施工。采用型號為ZKT30/45風(fēng)塵分離鉆機進行鉆孔施工[3]，鉆機功率為45 kW，鉆機采用高壓風(fēng)作為動力，風(fēng)力為3.0 MPa，在鉆孔施工時可將粉塵及動力風(fēng)進行分離，有效防止粉塵對鉆桿堵塞現(xiàn)象；而且該鉆機功率大，鉆機速度快。

（2）泡沫抑塵。在孔口處安裝一套泡沫抑塵裝置，該裝置主要由PLC控制器、聯(lián)鎖開關(guān)、粉塵濃度傳感器、泡沫生產(chǎn)器以及高壓噴頭等部分組成；聯(lián)鎖開關(guān)與鉆機開關(guān)連接，鉆場粉塵濃度達50 mg/m3時，通過粉塵濃度傳感器及時將數(shù)據(jù)信號上傳至PLC控制器，通過控制器控制作用控制泡沫生成器產(chǎn)生高濃度泡沫，并通過高壓噴頭噴出吸附粉塵。

3.2 瓦斯抽采工藝優(yōu)化

為了提高本煤層以及上覆巖層裂隙帶瓦斯抽采效果，1304工作面從350 m處開始采取“本煤層交叉斜角鉆孔+裂隙帶高位鉆孔”綜合瓦斯抽采方法。

（1）本煤層交叉斜角鉆孔瓦斯抽采

首先采用鉆機在1304工作面回風(fēng)順槽施工一排斜角鉆孔，鉆孔施工在距頂板1.5 m處，鉆孔深度為120 m，鉆孔直徑為75 mm，鉆孔向工作面水平方向夾角為20 °，俯角為10 °，鉆孔間距為10 m，第一個鉆孔距工作面間距為30 m，見圖1。

當(dāng)回風(fēng)順槽側(cè)煤壁鉆孔施工完后，在運輸順槽側(cè)同樣施工一排斜角鉆孔，鉆孔參數(shù)不變，第一個鉆孔施工在距工作面45 m處，頭尾順槽兩組瓦斯抽采鉆孔成交叉布置[4]。

所有鉆孔施工完后對鉆孔進行擴孔以及封孔處理，然后對鉆孔進行瓦斯抽采。

（2）裂隙帶高位鉆孔瓦斯抽采

裂隙帶高位鉆場布置在工作面回風(fēng)順槽側(cè)煤壁內(nèi)，鉆場規(guī)格為長×深×高=4.0 m×4.0 m×3.0 m，鉆場頂板與3#煤層頂板一致，高位鉆場間距為120 m。

高位鉆場施工完后對鉆場內(nèi)布置一排高位仰斜瓦斯抽放鉆孔，每個鉆場內(nèi)共計布置4個高位鉆孔（1#～4#），鉆孔深度為130 m，其中1#鉆孔水平角為10 °，仰角為10°；2#鉆孔水平角為20°，仰角為8°；3#鉆孔水平角為30°，仰角為6°；4#鉆孔水平角為40°，仰角為4°。

圖1 1304工作面“本煤層交叉斜角鉆孔+裂隙帶高位鉆孔”布置

3.3 鉆孔封孔工藝優(yōu)化

采用PD材料進行封堵以保證鉆孔封孔質(zhì)量[5]。具體封孔工藝如下： ①首先對鉆孔進行擴孔處理，擴孔深度為11 m，擴孔直徑為90 mm，擴孔后對鉆孔內(nèi)埋入孔口管，孔口管主要為PE管，每節(jié)長度為3.0 m，共計4節(jié)；②孔口管安裝后分別對孔底、孔口0.5 m范圍內(nèi)采用聚氨酯以及白布進行聯(lián)合封堵，同時在管與孔壁之間埋入直徑為16 mm注漿管及回漿管，見圖2；③漿注漿管與注漿泵連接，對鉆孔中部環(huán)形封堵空間高壓注入灰水配比為2:1的PD材料漿液，待回漿管出漿后及時停止注漿，注漿24 h進行瓦斯抽采。

圖2 瓦斯鉆孔PD新材料封孔工藝

4 結(jié)語

1304工作面后期回采過程中對工作面瓦斯抽采工藝進行合理優(yōu)化后，通過實際應(yīng)用觀察發(fā)現(xiàn)：

1）采用“本煤層交叉斜角鉆孔+裂隙帶高位鉆孔”聯(lián)合瓦斯抽采施工工藝后提高煤層瓦斯抽采效率，降低了采空區(qū)頂板裂隙帶瓦斯?jié)舛?，后期回采中工作面及回風(fēng)隅角平均瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.5%以下。

2）鉆孔施工工藝優(yōu)化后，鉆孔施工效率提高至29 m/h，避免了鉆桿堵塞、塌孔等現(xiàn)象，鉆孔成孔率提高至87%，鉆場附近粉塵濃度控制在30 mg/m3以下。

3）采用PD新材料封孔工藝后，有效保證了瓦斯鉆孔封孔長度，與傳統(tǒng)水泥砂漿封孔工藝相比，該工藝實現(xiàn)了全長封孔，而且PD材料滲透能力、膠結(jié)性強，大大提高了鉆孔封孔質(zhì)量，保證了瓦斯抽采安全及抽采濃度。